EP0772508B1 - Verfahren und anordnung zum schweissen von werkstücken - Google Patents

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EP0772508B1
EP0772508B1 EP95927670A EP95927670A EP0772508B1 EP 0772508 B1 EP0772508 B1 EP 0772508B1 EP 95927670 A EP95927670 A EP 95927670A EP 95927670 A EP95927670 A EP 95927670A EP 0772508 B1 EP0772508 B1 EP 0772508B1
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EP
European Patent Office
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current
workpieces
welding
process according
workpiece
Prior art date
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Application number
EP95927670A
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English (en)
French (fr)
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EP0772508A1 (de
Inventor
Karel Mazac
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KUKA Systems GmbH
Original Assignee
KUKA Schweissanlagen GmbH
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Application filed by KUKA Schweissanlagen GmbH filed Critical KUKA Schweissanlagen GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K13/00—Welding by high-frequency current heating
    • B23K13/01—Welding by high-frequency current heating by induction heating
    • B23K13/015—Butt welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K13/00—Welding by high-frequency current heating
    • B23K13/04—Welding by high-frequency current heating by conduction heating
    • B23K13/043—Seam welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K13/00—Welding by high-frequency current heating
    • B23K13/08—Electric supply or control circuits therefor

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for welding workpieces with the characteristics in Preamble of the main procedural and substantive claim.
  • Such a method and arrangement is known from the DE-B-1 099 665 known. It shows the conductive warming of two sheets to be butt-welded together by means of a high frequency alternating current which is applied to the Sheets is created and using the Skin effect flows along the sheet metal edges near the gap. As soon as the edges of the sheet are sufficiently plasticized, they become blunt by an upsetting device compressed. The sheets are with each other and with the Welding current source via corresponding lines in series switched. The current flow at the metal edges can different ways by means of current dissipation electrically conductive clamping elements are influenced, with an additional possibility of influence over a Geometric change in the front contour of the clamping elements and a variation in the distance of the clamping element edges from the sheet metal edges.
  • the current flow can also influenced inductively via rods made of magnetic material be on one or both sides of the sheets next to the Sheet edges are placed. In the gap area can also a rod link must be present, which is not itself is powered by its electrical Conductivity also has an inductive effect has the flow of electricity.
  • the Welding power source is timed by a Switch turned on and off, including the Compression device is time-controlled. The heating current is only switched on and off, but during the heating phase not changed in amplitude.
  • US-C 3 591 757 also shows several Exemplary embodiments for the conductive heating of two Sheet metal to be welded together.
  • the two sheets are electrically parallel to one another switched, with an electrical in the gap area Return conductor is present.
  • high-frequency heating or welding current on the sheet metal edges be focused on what's electrical Parallel connection of the sheets and the required However, return conductors are not in the desired effective Way happens.
  • the heating current frequency must for one uniform heating with increasing sheet thickness lower be what on the other hand an undesirable Broadening of the current track and the associated Heating depth.
  • the heating or Welding current only switched on, but not modulated.
  • DE-A 22 31 717 shows a further variant of the stump or Overlap welding of sheets by means of a high frequency alternating current, the sheets in similar to that of the aforementioned U.S. document are connected in parallel.
  • an electric one practices Return conductors have an inductive influence on the current flow, but with the same disadvantages as the US scripture is affected.
  • a magnetic pulse after switching off the Heating current can be triggered with the Overlap welding pressed the sheet metal edges together will.
  • the capacity will be of its own DC source is charged and is connected in opposite polarity, so that the triggered pulse in the opposite direction to the heating current flows.
  • the heating current is also here during the Warming phase constant.
  • US-A 2 625 637 shows a welding or soldering process with an inductive heating of the workpieces by a high frequency alternating current.
  • the welding current is only a melt generated by different Guiding measures at the welding point stabilized and is held.
  • the document discloses an electricity program. This only refers to this Fusion-based welding processes and has none Regarding an onset of upsetting. It also shows Electricity program not only a high welding current, but also a subsequent lower post-heating phase, which for Welding process is one of them.
  • the invention has for its object a method and to show an arrangement for welding that the set quality requirements, a have wide scope and little Restrictions apply.
  • the invention solves this problem with the features in Main procedural and substantive claim.
  • the Measures have a positive effect on the depth of the Heat affected zone and on the welding precision.
  • the coating is advantageously only in the welding area to the Sheet metal edges removed and remain on the others Get sheet metal areas.
  • the exposure of the sheet metal edges in the welding zone has beneficial effects on the Welding quality.
  • the welding technology according to the invention has particular advantages in terms of speed and ease Manageability of the welding process and Welding arrangement. There are particularly cheap and sensitive influence to control the Welding process and to ensure the desired Welding quality.
  • Welding processes are carried out in which the Sheet metal edges using the skin effect with high-frequency alternating current can be heated. You can also the basic features of the state of the art known welding techniques are used.
  • the Workpieces can be conductive, i. H. by a created Current flow, or inductive through electromagnetic Alternating fields are heated.
  • stump and Overlap welding is also any other technique to create the welded joint between the heated ones Sheet edges can be used.
  • the sheets conductive heated and in line with the Welding current source switched. Through the series connection can the current trace and thus the heat input via the entire face of the two sheets is influenced as desired and in particular can be kept constant.
  • the edges of the work piece run counter to each other at the gap flowed through. This leads to a more even one Warming of the workpiece edges.
  • the current frequency is not determined by the sheet thickness and can be essentially choose freely. It can be set very high.
  • the heat affected zone can thus be kept correspondingly narrow will. This enables short unclamping lengths, longer ones Sheet rigidity and thus also the application of the Connect required crushing force. On the other hand, it drops the shortening of the sheet. The result is increased precision the welded joint and the components. The bulge and the need for rework are reduced.
  • the invention also provides for the supply of energy and consciously introducing heat into the two sheets to control differently and if necessary also during change the welding process.
  • This enables Workpieces with different sheet thicknesses and / or to weld different materials.
  • Light metals in particular Aluminum compounds, is reducing and Controllability of the heat affected zone is a great advantage. It can also be other di- and / or paramagnetic Weld the materials well together.
  • the different heat input of the workpieces can on the one hand through current dissipation by means of a Additional conductor, suitable clamping elements or with the like. other suitable measures can be achieved.
  • a Additional conductor preferably for that because of the smaller thickness and / or more thermally sensitive due to material reasons Sheet metal, is brought in by the current discharge Reduced heat quantity, so that both workpieces are preferred have the same welding temperature.
  • the welding process according to the invention has a high level Efficiency. Due to the concentrated warming of the End faces are also longer seam lengths with the same Generator power than possible in the prior art. On the other hand, smaller and cheaper welders are built. Also the smaller specific compressive force affects one Possibility of machine downsizing.
  • the workpieces (3,4) are 1 to 5 are essentially flat sheets, for example from vehicle construction.
  • Figure 6 shows one Variant with workpieces (3,4), which is spatially arbitrary deformed contour (18) and e.g. profile-like with a C-shaped cross section are trained. But others can too Workpiece types are used.
  • Workpieces (3,4) in the geometric dimensions, in particular their thickness and the same material.
  • the Workpieces (3,4) can also be thermal be differently sensitive.
  • the thinner sheet (4) is thermally more sensitive than the thicker sheet (3).
  • the different sheet thicknesses of the workpieces (3,4) can vary.
  • a preferred area of application are Differences in thickness from approx. 1.5 to 2.5.
  • Such sheets or boards are for example in the Automotive technology used.
  • the thermally sensitive workpiece (4) has then, for example, a melting point lower than that thermally insensitive workpiece (3).
  • the sheet (4) consists of aluminum and the sheet (3) Stole.
  • the sheets (3,4) can be made of any electrically conductive and plasticizable materials, especially metals. It can iron and Be non-ferrous metals.
  • welding technology can be use for lap welding. Possibly can also the impulse technique to compress or Upset the sheet metal edges are used.
  • the gap (7) preferably has a constant width, i.e. the Sheet edges run parallel.
  • the gap (7) can Have a width of approx. 2 - 3 mm. But there are also others Gap widths possible.
  • the gap width acts as Process size and is variable by means of Clamping (14) or in another suitable manner adjustable.
  • the welding device (1) consists of a power source (2), a clamping (14) with several clamping elements (15,16) for the sheets (3,4) and an upsetting device (8) (not shown).
  • the current source (2) has one Generator for generating a high-frequency alternating current from approx. 10-1000 KHz. It also includes one programmable controller (12) consisting of a Microprocessor-based computers, several Data storage and suitable input and Output units for the data. The controller (12) has one or several saved electricity programs.
  • Fig. 7 shows an example flow chart.
  • the welding current source (2) is connected via connecting lines (9) connected to the two front sides of the sheets (3, 4). The connection is preferably close to the gap. On the opposite plates are through (3,4) a connecting line (10) to each other electrically conductively connected. So that the sheets (3,4) and Power source (2) connected in series with each other. The Current flow direction is symbolized by arrows (6). On The current flows through the edges of the sheets (3, 4) near the gap in opposite directions.
  • the two sheets (3,4) are created by the high-frequency alternating current at the edges near the gap warmed up.
  • the current flows using the Skin effect especially on the sheet metal edges along the Gap (7).
  • upsetting is done by a suitable one Measuring device of the compression path and / or the shortening of the sheet measured or calculated.
  • the current source (2) can be any and changeable Frequency work.
  • the current or the power can be through the control (12). It is advisable a frequency of at least 10 kHz, preferably more than 400 kHz.
  • 400 kHz is used for welding Aluminum sheets preferably 500 to 600 KHz.
  • the Frequency can be increased up to 1 MHz and above.
  • the selected frequency of the alternating current depends on essential of the material pairing of the workpieces (3,4) from.
  • the sheet thicknesses and the seam lengths can be in wide limits vary without an adjustment of the Frequency or the generator must take place.
  • the Penetration depth of the current at the sheet edges near the gap and therefore the heat affected zone is of the Frequency of the alternating current depends.
  • the depth of penetration or heat affected zone decreases with increasing frequency.
  • At sheets of different thicknesses (3,4) can optionally and in addition to the current discharge described below by an additional conductor (5) also influencing the Heat affected zone by the level of the frequency.
  • the welding process can be done with a current program be performed.
  • the electricity program is in the Control (12) stored in a suitable data memory and is processed by the controller (12). In doing so the workpieces (3, 4) in a suitable manner over several selectable periods with different high currents acted upon.
  • Figure 7 shows in a schematic representation Electricity program in a flow chart. The process can are divided into two parts, namely a first Phase in which a coating of the sheet metal edges is removed and a second phase with the actual heating and welding area.
  • the sheets (3, 4) can have a coating (23), the z. B. consists of a zinc coating.
  • the coating (23) is in the welding zone at the sheet metal edges undesirable and the structure of the weld seam can be unfavorable influence.
  • the coating is applied before the actual welding process (23) by one or more, preferably two short ones Current pulses with the high-frequency alternating current removed.
  • the amplitude and duration of the current pulses (19) depends according to the type of coating (23). In the preferred Embodiment, the sheet metal edges are heated so far that the coating (23) melts and evaporates there.
  • the first current pulse (19) can be twice as high be long like the others. Between the current pulses (19) it is advisable to take a break (20) during which the Electricity is switched off or at least significantly reduced. During this time, the sheet metal edges can cool down briefly. It it is advisable to have such between all current pulses (19) Take breaks (20). In a practical The embodiment takes two when welding zinc-coated steel sheets the first current pulse (19) approx. 100 msec and the second current pulse (19) approx. 50 msec. The intermediate pause (20) can be as long as that second current pulse (19).
  • the sheets (3, 4) are used for the actual welding process. for heating with the high-frequency alternating current as Heating current or base current (21) applied.
  • the basic current (21) can immediately after the last current pulse (19) be switched on. In between, however, can also another pause (20), in which the current in turn is switched off or at least significantly reduced. If in the electricity program the previously described first phase with the Removal of the coating is provided by the Preheating the subsequent heating phase can be shortened.
  • the base current (21) is then switched on for less time as current programs and sheet metal pairings, in which none Coating is present and must be removed.
  • the current pulses (19) becomes the coating (23) according to the heating depth in the sheets (3,4) only in a narrow area along the sheet metal edges in the Removed welding zone.
  • Figure 6 illustrates this with dashed lines.
  • the heating process can have various parameters can be controlled, e.g. about the sheet temperature that brought in energy or time.
  • the welding device (1) has corresponding measuring devices (not shown), which are connected to the controller (12).
  • the amplitude of the increase is e.g. the Two to three times the base current amplitude. At the The welding current will swell in time before the Touching the workpieces (3,4) lowered to "0".
  • the welding device (1) or welding arrangement of Fig. 1 to 4 has for welding workpieces (3, 4) different thermal sensitivity current-carrying electrical auxiliary conductor (5) on the is connected in parallel to one of the sheets (3, 4). in the preferred embodiment is the electrical Parallel connection to the more thermally sensitive or thinner sheet (4).
  • the additional conductor (5) spaced from the sheets (3,4) and with the parallel connected sheet metal (4) at each end Additional connection lines (11) connected.
  • the additional manager (5) is rod-shaped and parallel to the gap (7) or the sheet metal edges aligned. He can do his Cross-sectional shape, especially its contour close to the gap, also change over the length and tabs and / or Have deepening.
  • the additional conductor (5) forms a current bridge that one Derives part of the current. Im more thermally sensitive or thinner sheet (4), this makes the current flow decreased. In the additional electrical conductor (5) and in the sheet (4) the current flow directions are the same.
  • the additional conductor (5) is in a suitable one Holding device (not shown) arranged. This is preferably adjustable so that the distance (17) to the sheet (4) can be changed. in the The exemplary embodiment of FIGS. 1 and 2 is the distance (17) between the additional conductor (5) and the sheet metal (4) so large that that inductive influences are largely suppressed and the inductive resistance of the loop largely reduced is.
  • the Additional conductor (5) over the thermally insensitive or thicker sheet (3) arranged.
  • the additional connection lines (11) in this case bridge the gap (7) and are again connected to the ends of the sheet (4).
  • the additional conductor (5) is in one relatively small distance above the sheet (3). The distance is preferably less than in the embodiment of Fig. 1 and 2.
  • the additional conductor (5) extends close and along the gap (7) or the sheet metal edge there.
  • the inductive influence of the formed by the additional conductor (5) and the sheet (4) Conductor loop effective.
  • the current flows in here Opposite direction to the current direction in the sheet (3). This causes a current concentration in the upper area of the sheet (3), which faces the additional conductor (5) and the gap (7).
  • Fig. 5 shows an alternative to current dissipation or different heating of the two sheets (3,4) by means of different clamping elements (15, 16). Therefor there are several options.
  • one or both clamping elements (15, 16) through the conductive contact with the workpieces (3,4) as Current bridge act like the additional conductor (5).
  • At least one tensioning element (16) is then electrical conductive and the other not.
  • the clamping elements (15,16) in the cross-sectional shape, especially in the Height near the gap and thus in the resistance differentiate.
  • the cross section can vary over the length also change and e.g. tooth-like or bead-like projections and / or have depressions. These contour changes are preferably on the side near the gap Find clamping elements (15, 16).
  • the clamping element (16) with the higher electrical conductivity or the lower Resistance is also more thermally sensitive here Sheet (4) assigned.
  • Another option is to choose the Distance (17) between the clamping elements (15, 16) and the edge of the respective sheet (3, 4) near the gap. Of the Distance (17) is also called the unclamping length. Of the Distance (17) can be achieved by positioning the Sheets (3,4) in the clamping elements (15,16) determined will. A change in distance is also due to Shape of the clamping elements (15, 16) and the aforementioned Contour change achievable. On the ledges is the Distance (17) smaller and larger in the depressions. Each the smaller the distance (17), the greater the influence and Effect of current dissipation. The distance (17) is at thermally sensitive sheet (4) smaller than the another sheet (3) selected.
  • One is influenced by another Thermal conductivity of the clamping elements (15, 16), possibly in Connection with varying distances (17) and / or Clamping element shapes possible. This allows one accordingly different heat dissipation from the Achieve sheet metal edges.
  • the tensioning elements (15, 16) in the Distinguish permeability Preferably only one is the clamping elements (15, 16) ferromagnetic and the other Not. With a ferromagnetic clamping element (15, 16) the energy distribution in the gap area can be strong influence. The ferromagnetic clamping element (16) the thermally more sensitive or thinner sheet (4) assigned.
  • FIG. 6 shows a design variant of the sheets (3, 4) and the tensioning elements (15, 16).
  • the two sheets (3,4) have an elongated profile shape and own a substantially C-shaped cross section. Such Profiles are e.g. B. in automotive engineering for Body bars used.
  • the two sheets (3,4) will be at their front edges with the one described above Welding technology connected.
  • the tensioning elements (15, 16) are the contour (18) of the sheets (3, 4) is reproduced and encompass the sheets (3, 4) preferably inside and outside. They are in the manner described above by far arranged front sheet metal edges, like that Side view of Figure 6 in the left part shows.
  • the clamping devices overlap (15,16) the sheets (3,4) preferably over the entire Scope and close flush with the longitudinal edges of the Sheet metal (3,4).
  • the tensioning elements (15, 16) can alternatively interrupted in places or in individual Clamping claws can be divided into a suitable one electrical or magnetic connection with each other consists.
  • connection points of the Lines (9,10,11) do not have to be at the ends of the sheets (3,4), but can be used for shorter seam lengths lie further inside. It is recommended that Connection points near the gap (7) and at the ends of the desired seam.
  • the additional conductor (5) does not have the same length as extend the sheet (4).
  • the Additional connection lines (11) not on the sheet metal (4) be connected, but can be connected to other suitable Way electrically parallel to the current flow in the workpiece (4) be switched. If necessary, the additional conductor (5) also be connected directly to the power source (2).
  • the Current directions in the additional conductor (5) or Clamping elements (15, 16) and in the more thermally sensitive Sheet (4) should, however, be aligned in the same direction.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Resistance Welding (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Schweißen von Werkstücken mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Sachhauptanspruches.
Ein solches Verfahren nebst Anordnung ist aus der DE-B-1 099 665 bekannt. Sie zeigt die konduktive Erwärmung zweier miteinander stumpf zu verschweißender Bleche mittels eines hochfrequenten Wechselstrom, der an die Bleche angelegt wird und unter Ausnutzung des Skin-Effektes entlang der spaltnahen Blechränder fließt. Sobald die Blechränder ausreichend plastifiziert sind, werden sie durch eine Staucheinrichtung stumpf zusammengepreßt. Die Bleche sind untereinander und mit der Schweißstromquelle über entsprechende Leitungen in Reihe geschaltet. Der Stromfluß an den Blechrändern kann auf unterschiedliche Weise durch Stromableitung mittels elektrisch leitfähiger Spannelemente beeinflußt werden, wobei eine zusätzliche Einflußmöglichkeit über eine geometrische Veränderung der Frontkontur der Spannelemente und eine Variation des Abstands der Spannelementränder von den Blechrändern besteht. Der Stromfluß kann ferner induktiv über Stäbe aus magnetischem Material beeinflußt werden, die ein- oder beidseits der Bleche neben den Blechrändern plaziert sind. Im Spaltbereich kann außerdem ein Stabglied vorhanden sein, das zwar nicht selbst stromdurchflossen ist, das durch seine elektrische Leitfähigkeit aber ebenfalls eine induktive Wirkung auf den Stromfluß hat. Neben dem Stumpfschweißen lehrt die Entgegenhaltung auch die Anwendung der verschiedenen Erwärmungstechniken für das Überlappungsschweißen. Die Schweißstromquelle wird durch einen zeitgesteuerten Schalter an- und abgeschaltet, wobei auch die Staucheinrichtung zeitgesteuert ist. Der Heizstrom wird nur an- und abgeschaltet, während der Erwärmungsphase aber nicht in der Amplitude verändert.
Die US-C 3 591 757 zeigt ebenfalls verschiedene Ausführungsbeispiele für die konduktive Erwärmung zweier miteinander zu verschweißender Bleche. Hier sind die beiden Bleche allerdings elektrisch parallel zueinander geschaltet, wobei im Spaltbereich ein elektrischer Rückleiter vorhanden ist. Auch hier soll ein hochfrequenter Heiz- oder Schweißstrom auf die Blechränder konzentriert werden, was durch die elektrische Parallelschaltung der Bleche und den erforderlichen Rückleiter allerdings nicht in der gewünschten wirksamen Weise geschieht. Die Heizstromfrequenz muß für eine gleichmäßige Erwärmung mit steigender Blechdicke niedriger werden, was auf der anderen Seite aber eine unerwünschte Verbreiterung der Stromspur und der damit einhergehenden Erwärmungstiefe zur Folge hat. Auch hier wird der Heiz- oder Schweißstrom nur ein- ausgeschaltet, aber nicht moduliert.
Die DE-A 22 31 717 zeigt eine weitere Variante des Stumpf- oder Überlappungsschweißens von Blechen mittels eines hochfrequenten Wechselstroms, wobei die Bleche in ähnlicher Weise wie bei der vorerwähnten US-Schrift parallel geschaltet sind. Auch hier übt ein elektrischer Rückleiter einen induktiven Einfluß auf den Stromfluß aus, was jedoch mit den gleichen Nachteilen wie bei der US-Schrift behaftet ist. Zusätzlich soll bei dieser Entgegenhaltung über eine separat zu schaltende hohe Kapazität ein magnetischer Impuls nach Abschalten des Heizstromes auslösbar sein, mit dem beim Überlappungsschweißen die Blechränder zusammengepreßt werden. Die Kapazität wird wird von einer eigenen Gleichstromquelle geladen und ist gegenpolig geschaltet, so daß der ausgelöste Impuls in Gegenrichtung zu Heizstrom fließt. Der Heizstrom ist auch hier während der Erwärmungsphase konstant.
Die US-A 2 625 637 zeigt ein Schweiß- bzw. Lötverfahren mit einer induktiven Erwärmung der Werkstücke durch einen hochfrequenten Wechselstrom. Hierbei findet jedoch kein Stauchen oder sonstiges mechanisches Verbinden der Werkstücke statt. Durch den Schweißstrom wird lediglich eine Schmelze erzeugt, die durch verschiedene Leitmaßnahmen an der Schweißstelle stabilisiert und gehalten wird. Die Schrift offenbart ein Stromprogramm. Dieses bezieht sich ausschließlich auf dieses auf Schmelzbasis arbeitende Schweißverfahren und hat keinen Bezug auf einen Stauchbeginn. Außerdem zeigt das Stromprogramm nicht nur einen hohen Schweißstrom, sondern auch eine anschließende niedrigere Nachheizphase, die zum Schweißprozeß dazugehört.
Die vorbekannten Schweißtechniken haben sich in der Praxis trotz guter Ansätze nicht bewährt und haben keinen Eingang in einen großtechnischen Einsatz gefunden. Die erzielten Schweißergebnisse zeigten nicht die erforderliche und vor allem reproduzierbare Qualität.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Schweißen aufzuzeigen, die den gestellten Qualitätsanforderungen gerecht werden, einen breiten Anwendungsbereich besitzen und wenig Einschränkungen unterliegen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Sachhauptanspruch.
Durch das Stromprogramm und die kurzzeitige Erhöhung des Heizstroms kurz vor oder bei Stauchbeginn wird die Schweißqualität günstig beeinflußt und reproduzierbar. Die Maßnahmen wirken sich positiv auf die Tiefe der Wärmeeinflußzone und auf die Schweißpräzision aus. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erschließt sich dem Schweißverfahren und der zugehörigen Schweißanordnung der großtechnische Einsatzbereich, insbesondere in der Fahrzeugindustrie.
Zum Schweißen von beschichteten Blechen, z. B. verzinkten Blechen, empfiehlt es sich, die Beschichtung vor oder bei Beginn des eigentlichen Schweißvorgangs durch ein oder mehrere kurze Stromimpulse zu beseitigen. Die Beschichtung wird dabei vorteilhafterweise nur im Schweißbereich an den Blechrändern entfernt und bleibt an den anderen Blechbereichen erhalten. Die Freilegung der Blechränder in der Schweißzone hat günstige Auswirkungen auf die Schweißqualität.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Schweißanordnung können beliebige Arten von Blechen geschweißt werden. Dies können ebene Bleche aber auch räumlich verformte Bleche, insbesondere Blechprofile, sein.
Die erfindungsgemäße Schweißtechnik hat besondere Vorteile hinsichtlich der Schnelligkeit und einfachen Handhabbarkeit des Schweißverfahrens und der Schweißanordnung. Es bestehen besonders günstige und feinfühlige Einflußmöglichkeiten zur Steuerung des Schweißprozesses und zur Sicherstellung der gewünschten Schweißqualität. Mit dem Stromprogramm können alle Schweißverfahren ausgeführt werden, bei denen die Blechränder unter Ausnutzung des Skin-Effektes mit hochfrequentem Wechselstrom erwärmt werden. Dabei können auch die aus dem Stand der Technik in den Grundzügen bekannten Schweißtechniken zum Einsatz kommen. Die Werkstücke können konduktiv, d. h. durch einen angelegten Stromdurchfluß, oder induktiv durch elektromagnetische Wechselfelder erwärmt werden. Neben Stumpf- und Überlappungsschweißen sind auch beliebig andere Techniken zur Schaffung der Schweißverbindung zwischen den erwärmten Blechrändern einsetzbar.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Bleche konduktiv erwärmt und dabei in Reihe mit der Schweißstromquelle geschaltet. Durch die Reihenschaltung kann die Stromspur und damit die Wärmeeinbringung über die ganze Stirnfläche der beiden Bleche nach Wunsch beeinflußt und insbesondere konstant gehalten werden können. Die Werkstückränder werden am Spalt vom Strom gegenläufig durchflossen. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Erwärmung der Werkstückränder. Die Stromfrequenz ist nicht von der Blechdicke bestimmt und läßt sich im wesentlichen frei wählen. Sie kann sehr hoch eingestellt werden. Die Wärmeeinflußzone kann dadurch entsprechend schmal gehalten werden. Dies ermöglicht kurze Ausspannlängen, eine höhere Blechsteifigkeit und damit auch die Anwendung der zum Verbinden erforderlichen Stauchkraft. Andererseits sinkt die Blechverkürzung. Es ergibt sich eine erhöhte Präzision der Schweißverbindung und der Bauteile. Die Wulstbildung sowie der Zwang zur Nacharbeit werden verringert.
Die Erfindung sieht darüber hinaus vor, die Energiezufuhr und Wärmeeinbringung in die beiden Bleche bewußt unterschiedlich zu steuern und gegebenenfalls auch während des Schweißprozesses zu verändern. Dies ermöglicht es, Werkstücke mit unterschiedlichen Blechdicken und/oder unterschiedlichen Werkstoffen zu schweißen. Vor allem für die Verschweißung von Leichtmetallen, insbesondere Aluminium-Verbindungen, ist die Verringerung und Steuerbarkeit der Wärmeeinflußzone von großem Vorteil. Es lassen sich auch andere dia- und/oder paramagnetische Werkstoffe gut miteinander verschweißen.
Die unterschiedliche Wärmeeinbringung der Werkstücke kann zum einen durch Stromableitung mittels eines Zusatzleiters, geeigneter Spannelemente oder mit dgl. anderen geeigneten Maßnahmen erreicht werden. Für das eine Blech, vorzugsweise für das wegen der geringeren Dicke und/oder aus Werkstoffgründen thermisch empfindlichere Blech, wird durch die Stromableitung die eingebrachte Wärmemenge reduziert, so daß beide Werkstücke vorzugsweise die gleiche Schweißtemperatur haben.
Mit dem Zusatzleiter kann aber auch zusätzlich eine induktive Beeinflussung des Erwärmungsverhaltens am thermisch unempfindlicheren Werkstück erreicht werden. Dies ist das Blech mit der größeren Dicke oder dem höheren Schmelzpunkt. Dies ist vor allem günstig für das Schweißen von unterschiedlichen dicken Werkstücken. Beim dickeren Werkstück wird gezielt die dem dünneren Werkstück gegenüberliegende Randzone erwärmt und plastifiziert.
Das erfindungsgemäße Schweißverfahren hat einen hohen Wirkungsgrad. Aufgrund der konzentrierten Erwärmung der Stirnflächen sind zudem größere Nahtlängen bei gleicher Generatorleistung als beim Stand der Technik möglich. Andererseits können bei gleicher Nahtlänge kleinere und billigere Schweißvorrichtungen gebaut werden. Auch die kleinere spezifische Stauchkraft wirkt sich in einer Möglichkeit zur Maschinenverkleinerung aus.
Für das Schweißverfahren und die Schweißanordnung bietet sich als weiterer Vorteil, daß durch die in breiten Grenzen wählbare Frequenz des Schweißstromes keine Anpassung des Generators bzw. der Stromquelle nötig ist. Außerdem vergrößert sich der Einsatzbereich der Schweißvorrichtung.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:
Figur 1:
eine schematische Draufsicht auf eine Schweißanordnung mit einem Zusatzleiter über dem thermisch empfindlicheren Blech,
Figur 2:
eine Stirnansicht der Anordnung von Figur 1 in Richtung von Pfeil II,
Figur 3:
eine alternative Anordnung mit dem Zusatzleiter auf dem thermisch unempfindlicheren Werkstück,
Figur 4:
eine Stirnansicht der Anordnung von Figur 3 gemäß Pfeil IV von Figur 3,
Figur 5:
eine Stirnansicht einer alternativen Schweißanordnung mit unterschiedlichen Spannelementen,
Figur 6:
eine Variante der Werkstück- und Spanngeometrie in Seiten- und Stirnansicht und
Figur 7:
ein Stromprogramm im Ablaufdiagramm.
In den Zeichnungen ist in mehreren Varianten eine Anordnung bzw. Schweißvorrichtung (1) zum Verschweißen von zwei einzelnen, vorzugsweise stromleitenden, Werkstücken (3,4) dargestellt. Bei den Werkstücken (3,4) handelt es sich in Figur 1 bis 5 um im wesentlichen ebene Bleche, beispielsweise aus dem Fahrzeugbau. Figur 6 zeigt eine Variante mit Werkstücken (3,4), die eine räumlich beliebig verformte Kontur (18) aufweisen und z.B. profilartig mit einem C-förmig gebogenen oder gewölbten Querschnitt ausgebildet sind. Es können aber auch andere Werkstückarten zum Einsatz kommen.
Im einfachsten und nicht dargestellten Fall sind die Werkstücke (3,4) in den geometrischen Abmessungen, insbesondere ihrer Dicke und im Werkstoff gleich. Die Werkstücke (3,4) können aber auch thermisch unterschiedlich empfindlich sein. Wie die Stirndarstellungen von Figur 2 und 4 verdeutlichen, ist beispielsweise das eine Werkstück oder Blech (3) dicker als das andere Werkstück oder Blech (4). Das dünnere Blech (4) ist thermisch empfindlicher als das dickere Blech (3). Die unterschiedlichen Blechdicken der Werkstücke (3,4) können variieren. Ein bevorzugter Einsatzbereich sind Dickenunterschiede von ca. 1,5 bis 2,5. Derartige Bleche oder Platinen werden beispielsweise in der Automobiltechnik eingesetzt.
Alternativ oder zusätzlich können auch Werkstoffunterschiede zwischen den Werkstücken (3,4) bestehen. Das thermisch empfindlichere Werkstück (4) hat dann beispielsweise einen niedrigeren Schmelzpunkt als das thermisch unempfindlichere Werkstück (3). Beispielsweise besteht das Blech (4) aus Aluminium und das Blech (3) aus Stahl. Ansonsten können die Bleche (3,4) aus beliebigen elektrisch leitenden und plastifizierbaren Materialien, insbesondere Metallen, bestehen. Es können Eisen- und Nichteisenmetalle sein.
In der gezeigten Ausführung handelt es sich um das Stumpfschweißen zweier Bleche (3,4), die bevorzugt konduktiv durch einen an die Bleche (3,4) angelegten hochfrequenten Wechselstrom erwärmt und geschweißt werden. Alternativ kann die Blecherwärmung rein induktiv durch elektromagnetische Wechselwirkung mit beabstandeten elektrischen Leitern durchgeführt werden (nicht dargestellt). Es sind ferner Mischformen mit konduktiv/induktiver Beeinflussung der Erwärmung möglich.
In einer weiteren Abwandlung läßt sich die Schweißtechnik für das Überlappungsschweißen einsetzen. Gegebenenfalls kann auch die Impulstechnik zum Zusammenpressen oder Stauchen der Blechränder eingesetzt werden.
In der gezeigten Anordnung zum Stumpfschweißen sind die beiden Bleche (3,4) mit Abstand zueinander angeordnet und bilden zwischen sich einen offenen Spalt (7). Der Spalt (7) hat vorzugsweise eine gleichbleibende Breite, d.h. die Blechränder verlaufen parallel. Der Spalt (7) kann eine Breite von ca. 2 - 3 mm haben. Es sind aber auch andere Spaltbreiten möglich. Die Spaltbreite wirkt als Prozeßgröße und ist mittels einer veränderlichen Einspannung (14) oder auf andere geeignete Weise einstellbar.
Die Schweißvorrichtung (1) besteht aus einer Stromquelle (2), einer Einspannung (14) mit mehreren Spannelementen (15,16) für die Bleche (3,4) und einer Stauchvorrichtung (8) (nicht dargestellt). Die Stromquelle (2) besitzt einen Generator zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselstroms von ca. 10-1000 KHz. Sie beinhaltet ferner eine programmierbare Steuerung (12), bestehend aus einem Microprozessor-gestützten Computer, mehreren Datenspeichern und geeigneten Eingabe- und Ausgabeeinheiten für die Daten. Die Steuerung (12) hat ein oder mehrere gespeicherte Stromprogramme. Fig. 7 zeigt dazu ein beispielhaftes Ablaufdiagramm.
Die Schweißstromquelle (2) ist über Anschlußleitungen (9) mit den beiden Vorderseiten der Bleche (3,4) verbunden. Der Anschluß liegt vorzugsweise in Spaltnähe. Auf der gegenüberliegenden Rückseite sind die Bleche (3,4) durch eine Verbindungsleitung (10) miteinander elektrisch leitend verbunden. Damit sind die Bleche (3,4) und die Stromquelle (2) in Reihe miteinander geschaltet. Die Stromflußrichtung ist durch Pfeile (6) symbolisiert. An den spaltnahen Rändern der Bleche (3,4) fließt der Strom in entgegengesetzten Richtungen.
Die beiden Bleche (3,4) werden durch den angelegten hochfrequenten Wechselstrom an den spaltnahen Rändern erwärmt. Der Strom fließt unter Ausnutzung des Skin-Effekts vor allem an den Blechrändern entlang des Spaltes (7). Sobald die Randbereiche der Bleche (3,4) ausreichend erhitzt und plastifiziert sind, erfolgt ein Stauchschlag in Richtung der Pfeile (8), mit dem die Bleche (3,4) unter Schließung des Spalts (7) miteinander verbunden werden. Beim Stauchen wird durch eine geeignete Meßvorrichtung der Stauchweg und/oder die Blechverkürzung gemessen bzw. berechnet.
Die Stromquelle (2) kann mit beliebiger und veränderbarer Frequenz arbeiten. Der Strom oder die Leistung lassen sich durch die Steuerung (12) einstellen. Es empfiehlt sich eine Frequenz von mindestens 10 KHz, vorzugsweise mehr als 400 KHz. Für ein Verschweißen von Stahlblechen werden beispielsweise 400 KHz verwendet, für ein Verschweißen von Aluminiumblechen vorzugsweise 500 bis 600 KHz. Die Frequenz kann bis 1 MHz und darüber gesteigert werden.
Die gewählte Frequenz des Wechselstroms hängt im wesentlichen von der Werkstoffpaarung der Werkstücke (3,4) ab. Die Blechdicken und die Nahtlängen können dabei in weiten Grenzen variieren, ohne daß eine Anpassung der Frequenz bzw. des Generators erfolgen muß. Die Eindringtiefe des Stroms an den spaltnahen Blechrändern und damit die Wärmeeinflußzone ist allerdings von der Frequenz des Wechselstromes abhängig. Die Eindringtiefe bzw. Wärmeeinflußzone sinkt bei steigender Frequenz. Bei unterschiedlich dicken Blechen (3,4) kann wahlweise und zusätzlich zur nachfolgend beschriebenen Stromableitung durch einen Zusatzleiter (5) auch eine Beeinflussung der Wärmeeinflußzone durch die Höhe der Frequenz erfolgen.
Der Schweißprozeß kann mit einem Stromprogramm durchgeführt werden. Das Stromprogramm ist in der Steuerung (12) in einem geeigneten Datenspeicher abgelegt und wird von der Steuerung (12) abgearbeitet. Dabei werden die Werkstücke (3,4) in geeigneter Weise über mehrere wählbare Zeitabschnitte mit unterschiedlich hohen Strömen beaufschlagt.
Figur 7 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Stromprogramm in einem Ablaufdiagramm. Der Ablauf kann sich in zwei Teilbereiche gliedern, nämlich eine erste Phase, in der eine eventuell vorhandene Beschichtung von den Blechrändern entfernt wird und eine zweite Phase mit dem eigentlichen Heiz- und Schweißbereich.
Die Bleche (3,4) können eine Beschichtung (23) aufweisen, die z. B. aus einem Zinküberzug besteht. Die Beschichtung (23) ist in der Schweißzone an den Blechrändern unerwünscht und kann das Gefüge der Schweißnaht ungünstig beeinflussen.
Vor dem eigentlichen Schweißprozeß wird die Beschichtung (23) durch ein oder mehrere, vorzugsweise zwei kurze Stromimpulse mit dem hochfrequenten Wechselstrom entfernt. Die Amplitude und Dauer der Stromimpulse (19) richtet sich nach der Art der Beschichtung (23). In der bevorzugten Ausführungsform werden die Blechränder soweit erwärmt, daß die Beschichtung (23) dort schmilzt und verdampft.
In der praktischen Ausführungsform von zinkbeschichteten Stahlblechen ist die Amplitude der Stromimpulse (19) ca. zwei- bis dreimal so hoch wie die Amplitude des für den nachfolgenden Schweißprozeß verwendeten Heizstroms oder Grundstroms (21). Ferner empfiehlt es sich, bei zwei oder mehr Stromimpulsen (19) den ersten Stromimpuls (19) länger als die nachfolgenden Stromimpulse (19) zu machen.
Beispielsweise kann der erste Stromimpuls (19) doppelt so lang wie die anderen sein. Zwischen den Stromimpulsen (19) empfiehlt es sich, eine Pause (20) einzulegen, in der der Strom abgeschaltet oder zumindest deutlich reduziert wird. In dieser Zeit können die Blechränder kurz abkühlen. Es empfiehlt sich, zwischen allen Stromimpulsen (19) solche Pausen (20) einzulegen. In einem praktischen Ausführungsbeispiel dauert bei der Verschweißung Zweier zinkbeschichteter Stahlbleche der erste Stromimpuls (19) ca. 100 msec und der zweite Stromimpuls (19) ca. 50 msec. Die dazwischenliegende Pause (20) kann so lang wie der zweite Stromimpuls (19) sein.
Für den eigentlichen Schweißprozeß werden die Bleche (3,4) zur Erwärmung mit dem hochfrequenten Wechselstrom als Heizstrom oder Grundstrom (21) beaufschlagt. Die Amplitude des Grundstroms (21) kann, wie in Fig. 7 gezeigt, im wesentlichen konstant sein oder in einer Rampenform stetig erhöht oder verringert werden. Gegebenenfalls kann hierbei auch eine Veränderung des Abstands des nachfolgend erläuterten Zusatzleiters (5) erfolgen. Der Grundstrom (21) kann unmittelbar nach dem letzten Stromimpuls (19) eingeschaltet werden. Dazwischen kann allerdings auch eine weitere Pause (20) liegen, in der der Strom wiederum abgeschaltet oder zumindest deutlich verringert wird. Wenn im Stromprogramm die vorbeschriebene erste Phase mit der Entfernung der Beschichtung vorgesehen ist, kann durch die Vorerwärmung die nachfolgende Heizphase verkürzt werden. Der Grundstrom (21) ist dann weniger lang eingeschaltet als Stromprogrammen und Blechpaarungen, bei denen keine Beschichtung vorhanden ist und entfernt werden muß. Durch die Stromimpulse (19) wird die Beschichtung (23) entsprechend der Erwärmungstiefe in den Blechen (3,4) nur in einem schmalen Bereich entlang der Blechränder in der Schweißzone entfernt. Figur 6 verdeutlicht dies mit strichlierten Linien.
Der Erwärmungsprozeß kann über verschiedene Parameter gesteuert werden, z.B. über die Blechtemperatur, die eingebrachte Energie oder die Zeit. Die Schweißvorrichtung (1) besitzt dafür entsprechende Meßeinrichtungen (nicht dargestellt), die mit der Steuerung (12) verbunden sind.
Es empfiehlt sich, den Schweißstrom oder Heizstrom kurz vor oder bei Stauchbeginn impulsartig bzw. kurzzeitig zu erhöhen (22). Dies geschieht über eine Zeitspanne von ca. 50 - 300 msec. Die Amplitude der Erhöhung beträgt z.B. das Zwei- bis Dreifache der Grundstrom-Amplitude. Beim Stauchen wird der Schweißstrom rechtzeitig vor der Berührung der Werkstücke (3,4) auf "0" abgesenkt.
Die Schweißvorrichtung (1) bzw. Schweißanordnung von Fig. 1 bis 4 weist zum Schweißen von Werkstücken (3,4) mit unterschiedlicher thermischer Empfindlichkeit einen stromdurchflossenen elektrischen Zusatzleiter (5) auf, der parallel zu einem der Bleche (3,4) geschaltet ist. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die elektrische Parallelschaltung zum thermisch empfindlicheren bzw. dünneren Blech (4).
Wie Figur 2 und 4 verdeutlichen, ist der Zusatzleiter (5) mit Abstand zu den Blechen (3,4) angeordnet und mit dem parallel geschalteten Blech (4) endseitig jeweils durch Zusatzanschlußleitungen (11) verbunden. Der Zusatzleiter (5) ist stabförmig ausgebildet und parallel zum Spalt (7) bzw. den Blechrändern ausgerichtet. Er kann seine Querschnittsform, insbesondere seine spaltnahen Kontur, über die Länge auch ändern und Vorsprünge und/oder Vertiefungen haben.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 und 2 ist der Zusatzleiter (5) über dem thermisch empfindlicheren bzw. dünneren Blech (4) angeordnet und befindet sich in Nähe des Spaltes (7) bzw. des dortigen Blechrandes.
Der Zusatzleiter (5) bildet eine Strombrücke, die einen Teil des Stromes ableitet. Im thermisch empfindlicheren bzw. dünneren Blech (4) wird hierdurch der Stromdurchfluß verringert. Im elektrischen Zusatzleiter (5) und im Blech (4) sind die Stromlaufrichtungen gleich gerichtet.
Der Zusatzleiter (5) ist in einer geeigneten Haltevorrichtung (nicht dargestellt) angeordnet. Vorzugsweise ist diese verstellbar, so daß der Abstand (17) zum Blech (4) verändert werden kann. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 und 2 ist der Abstand (17) zwischen Zusatzleiter (5) und Blech (4) so groß gewählt, daß induktive Einflüsse weitgehend unterdrückt und der induktive Widerstand der Schleife weitgehend reduziert ist.
Alternativ ist es aber auch möglich, durch Abstandsveränderung den induktiven bzw. komplexen Widerstand gezielt zu beeinflussen und auf einen gewünschten Wert einzustellen. Eine Beeinflussung ist auch durch Konturänderungen des Zusatzleiters (5), insbesondere an der zum Spalt (7) weisenden Seite, möglich. In diesen Fällen wird mit dem Zusatzleiter (5) erreicht, daß durch das thermisch empfindlichere Blech (4) weniger Strom als durch das andere Blech (3) fließt, wodurch der Energieeintrag und die Erwärmung des Bleches (4) verringert werden. Der Abgleich erfolgt vorzugsweise derart, daß beide Bleche (3,4) sich trotz ihres unterschiedlichen thermischen Verhaltens ungefähr gleichmäßig an den spaltnahen Rändern erwärmen. Es entstehen an den spaltnahen Rändern der Bleche (3,4) im wesentlichen gleich tiefe Wärmeeinflußzonen.
Im Ausführungsbeispiel von Figur 3 und 4 ist der Zusatzleiter (5) über dem thermisch unempfindlicheren oder dickeren Blech (3) angeordnet. Die Zusatzanschlußleitungen (11) überbrücken in diesem Fall den Spalt (7) und sind wiederum an den Stirnenden des Bleches (4) angeschlossen. Der Zusatzleiter (5) befindet sich in diesem Fall in einem relativ geringen Abstand über dem Blech (3). Der Abstand ist vorzugsweise geringer als im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 und 2. Der Zusatzleiter (5) erstreckt sich nahe und längs des Spaltes (7) bzw. des dortigen Blechrandes.
Bei dieser Ausführungsform wird der induktive Einfluß der vom Zusatzleiter (5) und vom Blech (4) gebildeten Leiterschleife wirksam. Der Strom fließt hier in Gegenrichtung zur Stromrichtung im Blech (3). Dies bewirkt eine Stromkonzentration im oberen Bereich des Bleches (3), der dem Zusatzleiter (5) und dem Spalt (7) zugewandt ist. Hierdurch entsteht ein Erwärmungsgradient (13) über die Dicke des Bleches (3), der in Figur 4 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Im oberen Bereich ist die Wärmeeinflußzone breiter als im unteren Bereich.
In beiden Ausführungsbeispielen, insbesondere aber in Figur 3 und 4 sind die unterschiedlich dicken Bleche (3,4) mit ihren Oberseiten im wesentlichen bündig zueinander ausgerichtet. Der Zusatzleiter (5) befindet sich oberhalb dieser Oberseite. Bei dieser Anordnung hat der Erwärmungsgradient (13) zur Folge, daß das dickere Blech (3) vor allem im Verbindungsbereich mit dem dünneren Blech (4) erwärmt wird.
Fig. 5 zeigt eine Alternative zur Stromableitung bzw. zur unterschiedlichen Erwärmung der beiden Bleche (3,4) mittels unterschiedlicher Spannelemente (15,16). Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten.
Zum einen können ein oder beide Spannelemente (15,16) durch den leitenden Kontakt mit den Werkstücken (3,4) als Strombrücke ähnlich wie der Zusatzleiter (5) fungieren. Zumindest ein Spannelement (16) ist dann elektrisch leitend und das andere nicht. Alternativ können auch beide Spannelemente (15,16) elektrisch leitend sein, durch unterschiedliche Werkstoffwahl aber verschiedene Leitfähigkeit haben. Zudem können die Spannelemente (15,16) sich in der Querschnittsform, insbesondere in der Höhe im spaltnahen Bereich und damit im Widerstand unterscheiden. Über die Länge kann sich der Querschnitt auch ändern und z.B. zahn- oder wulstartige Vorsprünge und/oder Vertiefungen aufweisen. Diese Konturänderungen sind vorzugsweise an der spaltnahen Seite der Spannelemente (15,16) zu finden. Das Spannelement (16) mit der höheren elektrischen Leitfähigkeit bzw. dem geringeren Widerstand ist auch hier dem thermisch empfindlicheren Blech (4) zugeordnet.
Eine weitere Einflußmöglichkeit besteht über die Wahl des Abstands (17) zwischen den Spannelementen (15,16) und dem spaltnahen Rand des jeweils zugehörigen Blechs (3,4). Der Abstand (17) wird auch als Ausspannlänge bezeichnet. Der Abstand (17) kann zum einen durch die Positionierung der Bleche (3,4) in den Spannelementen (15,16) bestimmt werden. Eine Abstandsänderung ist aber auch durch die Formgebung der Spannelemente (15,16) und die vorerwähnte Konturänderung erzielbar. An den Vorsprüngen ist der Abstand (17) kleiner und in den Vertiefungen größer. Je kleiner der Abstand (17), desto größer der Einfluß und die Wirkung der Stromableitung. Der Abstand (17) wird beim thermisch empfindlicheren Blech (4) kleiner als beim anderen Blech (3) gewählt.
Eine Beeinflussung ist ferner durch eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit der Spannelemente (15,16), evtl. in Verbindung mit variierenden Abständen (17) und/oder Spannelementformen, möglich. Hierdurch läßt sich eine entsprechend differierende Wärmeableitung von den Blechrändern erzielen.
Weiter können sich die Spannelemente (15,16) in der Permeabilität unterscheiden. Vorzugsweise ist nur eines der Spannelemente (15,16) ferromagnetisch und das andere nicht. Mit einem ferromagnetischen Spannelement (15,16) läßt sich die Energieverteilung im Spaltbereich stark beeinflussen. Das ferromagnetische Spannelement (16) wird dem thermisch empfindlicheren bzw. dünneren Blech (4) zugeordnet.
Figur 6 zeigt eine Gestaltungsvariante der Bleche (3,4) und der Spannelemente (15,16). Die beiden Bleche (3,4) haben hier eine langgestreckte Profilform und besitzen einen im wesentlichen C-förmigen Querschnitt. Solche Profile werden z. B. in der Fahrzeugtechnik für Karosserieholme eingesetzt. Die beiden Bleche (3,4) werden an ihren Stirnrändern mit der vorstehend beschriebenen Schweißtechnik verbunden. Die Spannelemente (15,16) sind der Kontur (18) der Bleche (3,4) nachgebildet und umgreifen vorzugsweise innen und außen die Bleche (3,4). Sie sind in der vorbeschriebenen Weise mit Abstand zu den stirnseitigen Blechrändern angeordnet, wie das die Seitenansicht von Figur 6 im linken Teil zeigt. Im Querschnitt gesehen übergreifen die Spanneinrichtungen (15,16) die Bleche (3,4) vorzugsweise über den gesamten Umfang und schließen bündig mit den Längsrändern der Bleche (3,4) ab. Die Spannelemente (15,16) können alternativ stellenweise unterbrochen oder in einzelne Spannpratzen unterteilt sein, wobei eine geeignete elektrische oder magnetische Verbindung untereinander besteht.
Über die gezeigten Ausführungsbeispiele hinaus sind weitere Variationen möglich. Die Anschlußpunkte der Leitungen (9,10,11) müssen nicht an den Enden der Bleche (3,4) liegen, sondern können bei kürzeren Nahtlängen weiter innen liegen. Es empfiehlt sich, die Anschlußstellen nahe des Spaltes (7) und an den Enden der gewünschten Naht anzubringen. In gleicher Weise muß sich der Zusatzleiter (5) auch nicht über die gleiche Länge wie das Blech (4) erstrecken. Ferner müssen die Zusatzanschlußleitungen (11) nicht am Blech (4) angeschlossen sein, sondern können auf andere geeignete Weise elektrisch parallel zum Stromfluß im Werkstück (4) geschaltet sein. Gegebenenfalls kann der Zusatzleiter (5) auch direkt mit der Stromquelle (2) verbunden sein. Die Stromlaufrichtungen im Zusatzleiter (5) bzw. den Spannelementen (15,16) und im thermisch empfindlicheren Blech (4) sollten allerdings gleich gerichtet sein.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Schweißvorrichtung, Schweißanordnung
2
Stromquelle, Generator
3
Werkstück, Blech, dick
4
Werkstück, Blech, dünn
5
Zusatzleiter
6
Stromrichtung
7
Spalt
8
Stauchantrieb
9
Anschlußleitung (Blech)
10
Verbindungsleitung (Bleche)
11
Zusatzanschlußleitung
12
Steuerung
13
Erwärmungsgradient
14
Einspannung
15
Spannelement
16
Spannelement
17
Abstand, Ausspannlänge
18
Kontur
19
Stromimpuls
20
Pause
21
Grundstrom
22
Erhöhung
23
Beschichtung

Claims (23)

  1. Verfahren zum Schweißen von Werkstücken, insbesondere Blechen, wobei die Werkstücke an den zu verschweißenden Rändern mit Hilfe eines hochfrequenten Wechselstroms konduktiv oder induktiv erwärmt und anschließend unter Druck miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Stromprogramm geschweißt wird, das die Werkstücke (3,4) über mehrere Zeitabschnitte mit unterschiedlich hohen Heizströmen beaufschlagt, wobei der Heizstron kurz vor oder bei Stauchbeginn kurzzeitig über den Grundstrom (21) erhöht (22) wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Erhöhung (22) das Zwei- bis Dreifache des Grundstroms (21) beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung (22) eine Dauer von ca. 50 bis 300 msec hat.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entfernen einer Beschichtung (23) auf den Werkstücken (3,4) vor oder zu Beginn des Schweißprozesses an die Werkstücke (3,4) ein oder mehrere Stromimpulse (19) mit einer über dem Grundstrom (21) liegenden Amplitude gelegt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe und Dauer der Stromimpulse (19) derart gesteuert wird, daß durch die Erwärmung der Ränder der Werkstücke (3,4) die Beschichtung (23) an diesen Stellen verdampft.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stromimpuls (19) kürzer als der erste ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stromimpulse (19) eine Pause (20) mit Verringerung oder Abschaltung des Stroms liegt, wobei die Ränder der Werkstücke (3,4) abkühlen.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach den Stromimpulsen (19) eine Pause (20) mit Verringerung oder Abschaltung des Stroms folgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (3,4) zumindest an den zu schweißenden Rändern eine gewölbte Kontur (18) aufweisen und mit der Kontur (18) angepaßten Spannelementen (15,16) gespannt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Werkstücke (3,4) mit unterschiedlichen Dicken oder unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlicher Wärmeeinbringung bzw. Energiezufuhr beaufschlagt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstück (3) durch Stromkonzentration über die Dicke unterschiedlich erwärmt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromdurchfluß durch einen parallel geschalteten stromdurchflossenen elektrischen Zusatzleiter (5) beeinflußt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromdurchfluß am Werkstück (3,4) durch Veränderung des Abstands zwischen dem Zusatzleiter (5) und dem Werkstück (3,4) eingestellt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzleiter (5) mit geringem Abstand über dem thermisch unempfindlicheren Werkstück (3) gehalten wird, wobei ein Erwärmungsgradient (13) über die Werkstückdicke eingestellt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Stauchen der Vorschub und die Werkstückverkürzung gemessen bzw. berechnet werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwärmungsprozeß nach der Zeit, der zugeführten Energie oder der Temperatur gesteuert wird.
  17. Anordnung zum Schweißen von Werkstücken, insbesondere Blechen, wobei die Werkstücke an den zu verschweißenden Rändern mit Hilfe einer Stromquelle zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselstroms konduktiv oder induktiv erwärmt und anschließend unter Druck miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (2) eine programmierbare Steuerung (12) mit Datenspeicher und einem Stromprogramm aufweist, das die Werkstücke (3,4) über mehrere Zeitabschnitte mit unterschiedlich hohen Heizströmen beaufschlagt und den Heizstrom kurz vor oder bei Stauchbeginn kurzzeitlg erhöht.
  18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromprogramm zum Entfernen einer Beschichtung (23) auf den Werkstücken (3,4) vor oder zu Beginn des Schweißprozesses an die Werkstücke (3,4) ein oder mehrere Stromimpulse (19) mit einer über dem Grundstrom (21) liegenden Amplitude legt.
  19. Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (3,4) zumindest an den zu schweißenden Rändern eine gewölbte Kontur (18) aufweisen und die Spannelemente (15,16) eine der Kontur (18) angepaßte Form besitzen.
  20. Anordnung nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein stromdurchflossener elektrischer Zusatzleiter (5) mit einem der Werkstücke (3,4) elektrisch parallel geschaltet und mit Abstand über einem Werkstück (3,4) angeordnet ist.
  21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedlich dicke Werkstücke (3,4) an einer Oberfläche höhenbündig zueinander ausgerichtet sind und der Zusatzleiter (5) mit Abstand über dieser Oberfläche und dem dickeren Werkstück (3) positioniert ist.
  22. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (15,16) zur Steuerung der Energiezufuhr in der Form, in der Wärme- oder elektrischen Leitfähigkeit, in der Permeabilität und/oder der Ausspannlänge (17) unterschiedlich ausgebildet sind.
  23. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (12) mit Meßeinrichtungen zur Temperatur-, Energie- und/oder Zeiterfassung verbunden ist.
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